安世忠，魏素敏，冀魯豫，邊天劍，解懷東，溫立鵬，管鋒平，鄭 俠

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所，北京 102413)

自從國(guó)際上第1臺(tái)回旋加速器于1932用于物理實(shí)驗(yàn)工作以來(lái)，基于剝離引出方式的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且獲得了巨大的應(yīng)用，特別是在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，全球約1 300多臺(tái)緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器應(yīng)用在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。中國(guó)原子能科學(xué)研究院(CIAE)在20世紀(jì)90年代建造一臺(tái)30 MeV/350 μA醫(yī)用回旋加速器[2]后，逐步研發(fā)出了10 MeV/430 μA強(qiáng)流回旋加速器綜合試驗(yàn)裝置[3]、14 MeV的PET醫(yī)用回旋加速器[4]、100 MeV緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器(CYCIAE-100)[5-6]、硼中子俘獲治療(BNCT)用14 MeV/1 mA等系列能量的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器[7]。目前正在研制質(zhì)子治療專用的230/250 MeV超導(dǎo)回旋加速器[8]，同時(shí)也在積極發(fā)展800 MeV～2 GeV兆瓦量級(jí)的高功率圓形質(zhì)子加速器技術(shù)[9-10]。建成的CYCIAE-100，是目前國(guó)際上能量較高的一臺(tái)緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器，最高流強(qiáng)達(dá)到了520 μA，并在束流線末端的束流收集器上獲得了最高52 kW的靶上束流功率，加速-引出束流損失小于1%；并實(shí)現(xiàn)了從10 pA到數(shù)百μA共計(jì)7個(gè)量級(jí)跨度的流強(qiáng)供束范圍。建成的BNCT用的質(zhì)子回旋加速器，也是我國(guó)首次自主研發(fā)成功的引出質(zhì)子束流強(qiáng)達(dá)到mA量級(jí)的強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器。在系列能量的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器研發(fā)過(guò)程中，CIAE對(duì)剝離引出后的束流色散效應(yīng)、剝離膜與束流夾角對(duì)引出后的束流品質(zhì)的影響、剝離膜單圈引出等緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器剝離引出技術(shù)方面展開(kāi)了研究，且開(kāi)發(fā)出了剝離引出計(jì)算程序，為緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的應(yīng)用作出了貢獻(xiàn)[11-17]。本文主要介紹CIAE緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器剝離引出技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 剝離引出原理

圖1為典型的H-回旋加速器的剝離引出過(guò)程。在H-回旋加速器中，加速到一定能量的H-離子經(jīng)剝離膜剝離電子轉(zhuǎn)換成H+離子后被引出。在加速器內(nèi)部，H-離子的軌跡在磁場(chǎng)的作用下向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)H-通過(guò)剝離膜被剝離掉電子后，H+軌跡向外偏轉(zhuǎn)，而釋放的電子在磁場(chǎng)的作用下繞剝離膜旋轉(zhuǎn)若干次，能量最終損失在膜片中。剝離引出使回旋加速器的引出過(guò)程大為簡(jiǎn)化。由于經(jīng)過(guò)加速的H-等離子穿過(guò)剝離膜后變成H+等不同電荷的離子，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)方向區(qū)別非常明顯，所以不需要再增加偏轉(zhuǎn)元件。從圖1可看出，剝離引出方法不需改變加速器高頻、磁場(chǎng)等參數(shù)，只通過(guò)改變剝離膜的位置即可引出能量范圍比較寬的束流。另外，也可用多個(gè)剝離膜同時(shí)引出多個(gè)不同能量的束流到多個(gè)不同方向的外部束流輸運(yùn)管道，以同時(shí)滿足多種不同的應(yīng)用需求。

圖1 典型的H-回旋加速器的剝離引出示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of classical H- cyclotron striping extraction

對(duì)于不同能量的引出束，剝離膜的精確位置由在回旋加速器主真空室外的一個(gè)公共交叉點(diǎn)給定，這個(gè)交叉點(diǎn)是引出開(kāi)關(guān)磁鐵的中心。引出開(kāi)關(guān)磁鐵將引導(dǎo)引出束進(jìn)入所需的外部束流管道。引出開(kāi)關(guān)磁鐵的主要作用是將不同引出能量的束流偏轉(zhuǎn)到后面固定的引出通道中。因此，開(kāi)關(guān)磁鐵的位置選擇，對(duì)于引出束流的后續(xù)傳輸至關(guān)重要。

剝離引出需要研究的內(nèi)容包括：1) 剝離位置的計(jì)算；2) 剝離引出過(guò)程中的路徑規(guī)劃，剝離引出可實(shí)現(xiàn)變能量引出，往往需要配合開(kāi)關(guān)磁鐵和合適的路徑規(guī)劃，使多能量束團(tuán)進(jìn)入到同一條束流傳輸線；3) 引出光學(xué)匹配，剝離引出回旋加速器一般采用多圈引出方式，引出束流的能散較大，因而需要重點(diǎn)關(guān)注邊緣場(chǎng)的色散效應(yīng)，研究引出束流包絡(luò)的控制方法；4) 剝離膜與束流相互作用，一方面束流經(jīng)過(guò)剝離膜后，剝離膜與束流的夾角會(huì)對(duì)引出的束流品質(zhì)產(chǎn)生影響，另一方面束流經(jīng)過(guò)剝離膜后由于碰撞會(huì)發(fā)生散射，因而會(huì)有一定的發(fā)射度增長(zhǎng)；5) 剝離效率的估算，剝離效率主要是由膜的厚度決定的，但膜的厚度與后續(xù)引出束流品質(zhì)相關(guān)，同時(shí)也和膜本身的壽命相關(guān)；6) 剝離引出的束流損失考慮。

2 CIAE緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器剝離引出技術(shù)研究

2.1 剝離引出計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

CIAE在研究剝離引出的過(guò)程中，自主開(kāi)發(fā)了剝離引出計(jì)算軟件CYCTR[14]。CIAE各種能量的強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的剝離引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)和引出束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算均是基于此程序完成的。CYCTR不但可計(jì)算不同能量的剝離點(diǎn)位置，也可計(jì)算剝離引出后的束流軌跡。CIAE還與加拿大TRIUMF實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)TRIUMF開(kāi)發(fā)出的回旋加速器技術(shù)軟件GOBLIN[18]、STRIP-UBC、COMA[19]等進(jìn)行改進(jìn)。GOBLIN可用于非螺旋加速間隙的計(jì)算，在加速間隙中的能量增益被近似為δ函數(shù)，計(jì)算的磁場(chǎng)有諧波場(chǎng)和離散網(wǎng)格點(diǎn)上的場(chǎng)兩種形式，磁場(chǎng)在z方向可展開(kāi)到二階。COMA使用線性運(yùn)動(dòng)矩陣，借助平衡軌道進(jìn)行計(jì)算，并包含了徑向和縱向的耦合，加速間隙的能量增益。CIAE在COMA程序加速間隙的能量增益和軸向電聚焦求解上引入了改進(jìn)的分析模型，并考慮了空間電荷效應(yīng)，提高了程序的計(jì)算精度。利用這些軟件，可以計(jì)算包含色散效應(yīng)在內(nèi)的剝離后引出束流傳輸矩陣的數(shù)值解。同時(shí)，利用多粒子模擬程序COMA可計(jì)算束流在剝離引出前后的相空間變化，且可以以膜上的束流分布作為引出計(jì)算的初始分布，進(jìn)行引出后的束流多粒子模擬，從而研究剝離引出的束流特性。

2.2 束流色散效應(yīng)研究

在束流經(jīng)過(guò)剝離引出過(guò)程中，由于磁場(chǎng)的不對(duì)稱性，同時(shí)由于邊緣場(chǎng)作用，將產(chǎn)生色散。色散將導(dǎo)致水平方向的發(fā)射度增長(zhǎng)，尤其在緊湊型回旋加速器中，色散效應(yīng)更加嚴(yán)重?？紤]了色散效應(yīng)后，束流在水平方向的發(fā)射度有較大幅度的增長(zhǎng)。在能量較低的加速器中，色散效應(yīng)不很明顯，但是在引出束流能量較高且流強(qiáng)非常強(qiáng)(如500 μA以上)的情況下，則束流在引出后的傳輸過(guò)程中必須考慮色散效應(yīng)的影響。對(duì)于強(qiáng)流回旋加速器，束流經(jīng)過(guò)剝離引出后，其引出軌跡的束流傳輸矩陣R的數(shù)值解可由程序GOBLIN直接計(jì)算得到，則色散效應(yīng)(D,D′)包含在傳輸矩陣中。對(duì)于引出軌跡的計(jì)算，需要包含加速器主磁場(chǎng)和引出開(kāi)關(guān)磁鐵的磁場(chǎng)。根據(jù)束流傳輸理論，任意兩個(gè)位置的束流傳輸可通過(guò)矩陣R表述為：

(x,x′,z,z′,Δl,δ)T=

R(x0,x′0,z0,z′0,Δl0,δ0)T

(1)

通常，剝離引出回旋加速器的束流能散約為±0.5%，則相對(duì)應(yīng)的動(dòng)量分散約為δ=Δp/p=±0.25%。如果引出質(zhì)子束流能量為70 MeV，引出束流的色散為60 cm，則由于色散引起的束流的橫向偏移為Δx=Dδ=600×0.002 5=1.5 mm。

2.3 束流對(duì)中對(duì)剝離引出束流品質(zhì)的影響

在描述粒子在回旋加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)通常采用柱坐標(biāo)系，以加速器中心為原點(diǎn)，磁對(duì)稱面為z=0平面。粒子的運(yùn)動(dòng)可分為半徑方向、豎直方向和粒子前進(jìn)方向，即徑向、軸向和縱向。束流徑向?qū)χ械暮脡膶?duì)引出束流品質(zhì)存在重大影響，其包括：1) 決定徑向循環(huán)發(fā)射度大小，影響引出束流的徑向發(fā)射度；2) 在穿越耦合共振(CYCIAE-100在4 MeV附近穿越Walkinshaw共振)時(shí)，徑向運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)耦合，使軸向包絡(luò)增長(zhǎng)；3) 徑向?qū)χ懈淖兪鞔┻^(guò)加速間隙時(shí)的相位，影響束流的縱向運(yùn)動(dòng)。為了分析在CYCIAE-100中束流對(duì)中對(duì)引出束流品質(zhì)的影響，采用多粒子跟蹤的方法，模擬不同對(duì)中條件下的引出束流分布。

圖2為初始粒子分布，其中初始粒子能量為2 MeV，徑向和軸向發(fā)射度為4 πmm·mrad，相寬為60°?；匦铀倨鳠o(wú)窮大半徑a=c/ω0，c為光速，ω0為軌道角頻率，所以動(dòng)量單位為長(zhǎng)度單位。根據(jù)加速器的靜態(tài)平衡軌道和特征橢圓的Twiss參數(shù)，確定相橢圓的參數(shù)為：

(2)

生成10 000個(gè)粒子初始坐標(biāo)用于粒子跟蹤，相位服從60°相寬內(nèi)的均勻分布，徑向、軸向分布為相橢圓內(nèi)的均勻分布：

(3)

其中：reo和preo為徑向靜態(tài)平衡軌道坐標(biāo)；x0為徑向初始不對(duì)中大小，x0=0表示束流對(duì)中；

a——徑向；b——軸向圖2 初始粒子分布Fig.2 Initial particle distribution

ξ為0～1內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

將這些粒子跟蹤至引出區(qū)，得到剝離膜上的粒子分布，如圖3所示。圖3a為粒子在徑向相空間內(nèi)的分布，不對(duì)中導(dǎo)致的發(fā)射度增長(zhǎng)現(xiàn)象明顯。對(duì)于CIAE建造的CYCIAE-100，100 MeV能量對(duì)應(yīng)的剝離靶起始半徑為187.55 cm，CYCIAE-100多圈引出的特性使徑向分布不呈橢圓形。圖3b所示的軸向上粒子分布仍接近橢圓，由于在低能區(qū)快速通過(guò)了Walkinshaw共振，不同對(duì)中情況下的分布沒(méi)有明顯差異。束流不對(duì)中使粒子徑向振蕩振幅增大，導(dǎo)致一部分未達(dá)到引出能量的粒子因徑向振蕩半徑增大，提前被引出；一部分已達(dá)到引出能量的粒子因徑向振蕩半徑減小，經(jīng)過(guò)更多圈加速后被引出。最終導(dǎo)致引出束流能散增大，同時(shí)伴隨著輕微的中心相位略微偏移和相寬增長(zhǎng)(圖3c、d)。

a——徑向相空間分布；b——軸向相空間分布；c——縱向相空間分布；d——能量分布圖3 剝離靶處粒子分布Fig.3 Particle distribution at striping foil

表1列出了引出束流的關(guān)鍵指標(biāo)。束流的徑向?qū)χ袑?duì)引出束流的徑向發(fā)射度和能散影響顯著，6 mm不對(duì)中較束流對(duì)中情況，徑向發(fā)射度增長(zhǎng)了39.0%，能散增長(zhǎng)了44.4%；軸向發(fā)射度基本不變。

表1 剝離靶處束流參數(shù)Table 1 Beam parameters at striping foil

2.4 剝離膜與束流夾角對(duì)引出后的束流品質(zhì)的影響

通常來(lái)說(shuō)，剝離膜總是垂直于束流方向，而當(dāng)剝離膜與束流法向有一夾角α?xí)r，粒子穿過(guò)剝離膜后角度方向的增量可表示為：

(4)

其中：ρ為粒子的偏轉(zhuǎn)半徑；B為磁場(chǎng)；n為磁場(chǎng)指數(shù)。忽略高階項(xiàng)，則式(4)可變?yōu)椋?/p>

(5)

即當(dāng)剝離膜與束流法向有一定夾角時(shí)，會(huì)在x方向產(chǎn)生一個(gè)聚/散焦作用，該作用類似偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口/出口角。同理，對(duì)于y方向，穿過(guò)剝離膜后角度方向的增量可表示為：

(6)

忽略高階項(xiàng)后，可發(fā)現(xiàn)Δy′=0，即y方向角度無(wú)變化，因此剝離膜與束流的夾角不影響y方向的傳輸矩陣，可近似認(rèn)為y方向包絡(luò)無(wú)變化。

綜上，在忽略高階項(xiàng)的前提下，可將剝離膜與束流法向的夾角近似為一個(gè)x方向的聚焦/散焦透鏡，但對(duì)y方向則無(wú)影響。在CIAE 14 MeV小型回旋加速器上驗(yàn)證了該理論，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剝離膜與束流軌跡有一定夾角時(shí)，會(huì)影響引出束流的包絡(luò)。圖4為兩條引出束流在剝離膜垂直于束流軌跡和剝離膜有一定旋轉(zhuǎn)角時(shí)的包絡(luò)情況，其中B1和B2分別為該加速器的兩條引出束流軌跡。可看出，剝離膜旋轉(zhuǎn)角對(duì)引出束流水平方向的包絡(luò)影響較大，對(duì)垂直方向的包絡(luò)幾乎沒(méi)有影響。

2.5 剝離引出單圈技術(shù)研究

剝離膜引出方式的回旋加速器雖然具有引出效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但是剝離引出均是多圈引出，圈重疊非常嚴(yán)重。以加速到100 MeV能量剝離引出質(zhì)子加速器為例，剝離引出的圈重疊都在30圈以上。部分物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于引出的質(zhì)子束流的品質(zhì)要求很高，需要實(shí)現(xiàn)單圈引出以獲得很高的束流品質(zhì)。剝離引出方式回旋加速器實(shí)現(xiàn)單圈引出的原理示意圖如圖5所示，其中剝離引出回旋加速器擁有2個(gè)相差角度為180°的正對(duì)的剝離靶裝置，剝離靶頭部安裝剝離引出質(zhì)子束所需要的剝離膜，剝離膜材料主要成分為碳。

圖4 引出束流包絡(luò)隨剝離膜旋轉(zhuǎn)角的變化Fig.4 Extraction beam envelope as function of rotation angle of striping foil

對(duì)于一般的回旋加速器，其加速高頻電壓波形通常為余弦波方式，這是導(dǎo)致引出區(qū)域圈重疊嚴(yán)重的最根本原因。因此，為了減少引出區(qū)域的圈重疊，就需要在加速器小半徑區(qū)域(能量一般小于5 MeV)安裝有相位選擇器，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速的負(fù)氫離子束流進(jìn)行相位選擇(圖5所示的相位選擇位置)，嚴(yán)格限制加速的束流相寬。剝離引出回旋加速器加速的束流相寬一般在40°以上。為了實(shí)現(xiàn)單圈引出，通過(guò)相位選擇系統(tǒng)，在小半徑加速區(qū)域?qū)⒓铀俚氖飨鄬捒刂圃?°以內(nèi)。這樣可將加速的束流在引出區(qū)域(位于加速器大半徑，即剝離膜伸入的位置范圍)的圈重疊控制在3圈以下[16]。

圖5 回旋加速器實(shí)現(xiàn)單圈引出的原理示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of single turn extraction

另外，為了實(shí)現(xiàn)束流單圈引出，也需要加速器對(duì)注入的束流有良好的對(duì)中。以CIAE建成的100 MeV剝離引出強(qiáng)流回旋加速器為例，CYCIAE-100的束流對(duì)中情況良好，徑向振蕩的振幅控制在0.5 mm以下。通過(guò)在小半徑方向加載束流相位選擇系統(tǒng)，將加速的束流相寬控制在5°以內(nèi)。CYCIAE-100有兩個(gè)180°相對(duì)的引出剝離靶，即有兩個(gè)質(zhì)子束流引出通道，剝離膜的位置可在剝離靶裝置的驅(qū)動(dòng)下沿著半徑方向運(yùn)動(dòng)，最小伸入半徑為1.6 m。最后分別移動(dòng)兩個(gè)剝離靶位置，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)剝離膜在半徑方向的位置差異實(shí)現(xiàn)剝離引出束流的單圈引出。圖6為引出能量為100 MeV時(shí)，束流相寬為5°的束流分別打在兩個(gè)剝離膜上的分布。

根據(jù)模擬結(jié)果，第1個(gè)剝離膜放置在半徑為187.1 cm的位置，則第2個(gè)剝離膜放置在半徑為187.6～187.7 cm之間，即可實(shí)現(xiàn)在第1個(gè)剝離膜上單圈束流引出，在第2個(gè)膜上仍然是多圈引出。通過(guò)本方法，可實(shí)現(xiàn)第1個(gè)剝離靶100%的單圈束流引出。在本方法的基礎(chǔ)上，如果將加速的束流相寬增加到5°以上，仍然可通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)剝離靶相對(duì)位置差以獲得其中1個(gè)靶上準(zhǔn)單圈束流引出。引出模擬結(jié)果表明，將加速的相寬增加到10°，則可實(shí)現(xiàn)第1個(gè)剝離靶準(zhǔn)單圈引出。準(zhǔn)單圈的意思是通過(guò)該剝離靶引出的全部束流圈重疊在5圈以上，但是單圈引出的束流占總引出束流的百分比為75%以上，即單圈引出束流占主導(dǎo)地位，顯然這不是完全意義上的單圈引出。

2.6 剝離膜厚度的選取

一方面，剝離膜的厚度直接決定了產(chǎn)生質(zhì)子的產(chǎn)額；另一方面，當(dāng)H-穿過(guò)剝離膜剝離成質(zhì)子時(shí)，剝離形成的電子將會(huì)多次穿越剝離膜而最終沉積到剝離膜上，這將造成膜的溫度升高而降低膜的運(yùn)行壽命。因此，剝離膜厚度的選取是剝離引出加速器主要關(guān)注的技術(shù)之一。

H-經(jīng)過(guò)碳剝離膜剝離掉兩個(gè)電子后轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，質(zhì)子的產(chǎn)額是由電子的損失截面決定的。H-能量越高，則電子損失截面就越小。因此，在同樣的剝離效率下，能量越高，則需要的碳膜就越厚。由不同能量下的電子剝離截面，則剝離效率η可通過(guò)式(7)估計(jì)：

圖6 100 MeV剝離引出強(qiáng)流回旋加速器單圈引出模擬結(jié)果Fig.6 Simulation of single turn extraction of 100 MeV high-intensity cyclotron

η=1-e-Nσs=1-e-σt

(7)

其中：N為單位體積的原子個(gè)數(shù)；s為穿過(guò)的距離；t為膜厚度，μg/cm2；σ為電子損失截面。

能量為100 MeV時(shí)H-、H0、H+的產(chǎn)額隨膜厚的變化如圖7所示。根據(jù)上面對(duì)剝離膜的分析估算，如果引出能量為100 MeV，則膜的厚度為150 μg/cm2時(shí)剝離效率為99.926%，膜的厚度為200 μg/cm2時(shí)剝離效率達(dá)到99.99%以上。

圖7 能量為100 MeV時(shí)H-、 H0、H+的產(chǎn)額隨膜厚的變化Fig.7 Output of H-, H0 and H+ as function of striping foil’s thickness at 100 MeV

當(dāng)H-穿過(guò)剝離膜時(shí)，一方面由于電離和原子激發(fā)將會(huì)使粒子把能量損失在剝離膜上，即產(chǎn)生能量沉積，這個(gè)沉積的能量，會(huì)造成剝離膜溫度升高；另一方面，由于剝離后電子和質(zhì)子的速度相同，在相同磁場(chǎng)下電子的回旋半徑約是質(zhì)子的1/2 000，則大部分電子都會(huì)多次穿越剝離膜而最終能量沉積到剝離膜上，則電子能量將會(huì)全部損失在剝離膜上，這將是剝離膜溫度升高的主要原因。在回旋加速器的剝離引出過(guò)程中，剝離后殘余的電子將在磁場(chǎng)作用下繞著剝離膜旋轉(zhuǎn)，將能量全部損失在剝離膜中，這將在加速器的運(yùn)行中直接造成剝離膜的溫度升高，會(huì)降低剝離膜的壽命。由于剝離后產(chǎn)生的電子能量不高，且質(zhì)量和質(zhì)子相差較大，剝離后產(chǎn)生的電子對(duì)產(chǎn)生的質(zhì)子的束流品質(zhì)影響不大。剝離膜的材料一般選取為碳。隨著引出束流功率的進(jìn)一步提高，剝離后產(chǎn)生的電子數(shù)也將會(huì)越來(lái)越多。由于剝離后的電子運(yùn)行在強(qiáng)磁場(chǎng)中，電子圍繞膜的旋轉(zhuǎn)半徑非常小，因此沒(méi)有辦法在膜的后面增加電子收集裝置而降低電子對(duì)膜的影響，這也是膜的溫升的主要因素。為了增加剝離膜的運(yùn)行壽命，在強(qiáng)流加速器中，安裝剝離膜的支架一般要帶有水冷裝置。CIAE在CYCIAE-100中進(jìn)行了多次剝離膜厚度的選擇和膜運(yùn)行壽命的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出，引出能量為100 MeV時(shí)膜的厚度選擇范圍為150～200 μg/cm2是較為適宜的。

2.7 剝離引出區(qū)束流損失的分析處理研究

剝離引出類型強(qiáng)流回旋加速器的剝離引出區(qū)域的束流損失，主要來(lái)源是剝離膜引起的相關(guān)束流損失，主要包括剝離膜引起的束流散射和發(fā)射度增長(zhǎng)、剝離不完全產(chǎn)生的H0而導(dǎo)致的束流損失、束流色散效應(yīng)引起的束流包絡(luò)的增加等。因?yàn)閯冸x引出類型加速器引出能量往往不單一，是一個(gè)能量范圍，如CYCIAE-100可引出能量范圍為75～100 MeV。剝離膜引起束流損失的最主要的地方是開(kāi)關(guān)磁鐵處。為了降低剝離膜引起的束流品質(zhì)變差等造成的束流損失，在引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需將剝離膜后的引出開(kāi)關(guān)磁鐵盡可能放置在距剝離膜較近的地方，且在開(kāi)關(guān)磁鐵后盡早布置聚焦四極透鏡。如在CYCIAE-100的設(shè)計(jì)中采取了體積盡可能小的開(kāi)關(guān)磁鐵，將開(kāi)關(guān)磁鐵放置在緊貼著真空室外面的兩個(gè)相鄰的磁軛間，且對(duì)開(kāi)關(guān)磁鐵部分采取了局部屏蔽措施。

對(duì)于剝離效率不是100%產(chǎn)生H0粒子的情況，需在剝離膜后面H0粒子所經(jīng)過(guò)范圍內(nèi)的中心平面的真空室內(nèi)壁上增加一定厚度的鋁襯，以吸收未剝離的H0粒子，運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行及時(shí)更換。如果引出的質(zhì)子能量固定不變，可在膜后H0粒子所經(jīng)過(guò)的路徑上再放置剝離膜進(jìn)行二次剝離轉(zhuǎn)為質(zhì)子后收集到束流垃圾桶中。

2.8 回旋加速器剝離靶系統(tǒng)

回旋加速器剝離靶系統(tǒng)是剝離引出加速器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的主要保障。本文主要介紹CIAE研制的CYCIAE-100的真空室內(nèi)換靶的剝離靶系統(tǒng)(圖8)。

圖8 CYCIAE-100的真空室內(nèi)換靶的剝離靶系統(tǒng)Fig.8 Striping target system of CYCIAE-100 which has function of changing striping foil in vacuum chamber

CYCIAE-100采用剝離引出的方式可連續(xù)引出能量為75～100 MeV的強(qiáng)流質(zhì)子束，引出流強(qiáng)最高達(dá)到520 μA，同時(shí)具備雙向同時(shí)引出質(zhì)子束的功能。剝離引出系統(tǒng)采用雙內(nèi)桿對(duì)稱剝離引出方式，可在對(duì)稱兩個(gè)方向分別為各終端引出束流。為保證在不同束流軌道上剝離后的不同能量離子束最終都能到達(dá)開(kāi)關(guān)磁鐵的中心，剝離靶需在徑向可移動(dòng)，在輻角方向可轉(zhuǎn)動(dòng)。剝離靶的靶頭在徑向運(yùn)動(dòng)精度好于0.1 mm，用以調(diào)整引出粒子能量。方位角運(yùn)動(dòng)可使剝離靶的探頭在不改變徑向位置的情況下只是沿方位角轉(zhuǎn)動(dòng)，用以調(diào)整引出束流的引出方向，調(diào)整精度好于0.01°。為了保證加速器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，CYCIAE-100采取真空室內(nèi)的自動(dòng)換靶結(jié)構(gòu)，即整個(gè)剝離靶和換靶機(jī)構(gòu)都安裝在真空室內(nèi)。設(shè)計(jì)的圓盤(pán)形換靶機(jī)安裝在磁軛外面的真空室內(nèi)，一次可同時(shí)安裝12個(gè)靶片。

3 總結(jié)

CIAE自從建造了30 MeV、350 μA剝離引出方式的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器以來(lái)，經(jīng)過(guò)了30多年的發(fā)展，先后建成了10～100 MeV的系列能量的剝離引出回旋加速器。剛建成的專用于BNCT的14 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器，引出束流強(qiáng)度達(dá)到了mA量級(jí)以上。在CYCIAE-100束流線末端的束流收集器上獲得了最高52 kW的靶上束流功率。CIAE獨(dú)立完善了一套剝離引出技術(shù)理論，在束流色散效應(yīng)、剝離膜與束流夾角對(duì)引出后的束流品質(zhì)的影響、剝離膜單圈引出等緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器剝離引出技術(shù)方面展開(kāi)了研究，且開(kāi)發(fā)出了剝離引出計(jì)算程序。目前，CIAE在回旋加速器束流動(dòng)力學(xué)與多物理場(chǎng)模擬技術(shù)方面也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，為強(qiáng)流回旋加速器和中高能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器技術(shù)方面的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。CIAE目前正在積極探索國(guó)際上最新一代高功率圓形加速器模擬技術(shù)，提出了高功率圓形加速器綜合研究設(shè)施設(shè)計(jì)方案，這對(duì)于發(fā)展我國(guó)的高功率圓形加速器具有重要的推動(dòng)作用[20-21]。

來(lái)自加拿大TRIUM實(shí)驗(yàn)室的Dr. Yinong Rao為本研究工作提供了許多幫助，特別提出感謝。另外，作者也多次與瑞士PSI實(shí)驗(yàn)室的Dr. Werner Joho、加拿大TRIUM實(shí)驗(yàn)室的Dr. R. Baartman、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的唐靖宇研究員進(jìn)行了多次很有價(jià)值的討論，對(duì)于他們的建議也深表感謝。